Zakażenia, skażenia ropa naftowąZłoża ropy naftowej występują w Polsce w okolicach Krosna Odrzeńskiego Kamienia Pomorskiego, Karminia, Sulęcina, Jasła. Duże znaczenie maja złoża na Szelfie Morza Bałtyckiego. Polskie zasoby ropy naftowej szacowane są na 4,3 mln ton. Wydobycie nie przekracza 0,2 mln ton rocznie, a światowe wydobycie ropy naftowej wynosi 3,5 tys milionow ton. Z czego w Arabii Saudyjskiej 14%,Rosja 12%, USA koło12%, Irak 6%, Chiny 5% i rośnie, Meksyk 5%, Wenezuela 4,5% i rośnie, Zjednoczone Emiraty Arabskie 4%, U nas mniej niż 0,01%.Ponad połowa wydobywanej ropy naftowej zużywana jest w energetyce i transporcie. Surowa ropa naftowa i jej produkty trafiają do środowiska zarówno podczas wydobywania jej ze złóż, transportu, jej przerobu. Złoża ropy naftowej usytuowane są w regionach odległych od państw najwyżej uprzemysłowionych, stąd surowiec ten jest transportowany na dużych odległościach. Skutki: Awarie podczas transportu są najtrudniejsze do likwidacji. Najczęstsze zanieczyszczenia zw. ropopochodnymi to: benzyna silnikowa, paliwa diesla, oleje opałowe, smary plastyczne, substancje żywiczno-asfaltowe, bardzo uciążliwe zanieczyszczenia zużytymi olejami, płyny hydrauliczne. 45% skażeń powstaje w strefie akwenów wodnych ( wiercenia, poszukiwania) podczas wydobycia z dna mórz, załadunku ropy, transportu i katastrofy tankowców. Natomiast zanieczyszczenia powstające przy przetwórstwie ropy tzw. „wycieków samoistnych” wahają się w granicach kilku do kilkunastu %. W latach 1980-2003 do środowiska dostało się 9 mln ton ropy naftowej do środowiska. W tym samym czasie w Polsce zanieczyszczenie szacowane jest na 40 tyś. Ton, co stanowi około 2/10-3/10 % wykorzystywanej ropy. Biodegradacja węglowodorów W procesie biodegradacji węglowodorów w środowisku naturalnym biora udział głównie mikroorganizmy (zarówno bakterie jak i grzyby) rośliny, enzymy pozakomórkowe - mikroorganizmów i roślin, aktualnie dużo uwagi skupia się na procesie biodegradacji, który odbywa się w strefie przy korzeniowym roślin, gdzie ma mniejsza współpraca enzymów drobnoustrojowych i roślinnych na rzecz oczyszczania środowiska ( w strefie przy korzeniowej jest więcej mikroorganizmów niż w innych częściach gleby).

W zależności od rodzaju przemian jakim podlegają węglowodory mówimy o :1.) biodegradacji - czyli rozkładzie do prostszych mniej toksycznych zw., które mogą być włączone w szlaki metabolizmu centralnego, końcowymi prouktami tych przemian może być produkcja biomasy, CO₂, woda, sole mineralne. 2.) biotransformacja - przekształcenie węglowodoru czy innej substancji toksycznej w zw. zwykle mniej toksyczny, czasami również bardziej toksyczny 3.) mineralizacja - czyli biodegradacja, która spowodowała pełne wykorzystanie substancji zanieczyszczających i przekształcenie ich do CO₂, wody i ewentualnie soli mineralnych.

Proces rozkładu węglowodorów przebiegać może w warunkach

tlenowych. i beztlenowych O₂ H₂

Heterotrofy tlenowe CO₂

Fotoautotrofy

biomasa

biomasa Węglowodany

CO_{2 NO2} N₂

biomasa CO₂

Fe(III) Fe(II)

biomasa CO₂

Heterotrofy beztlenowe SO4^2- H₂

biomasa CO₂

CH₄

biomasa CO₂

Procesy któremu ulegają węglowodory W procesie rozkładu węglowodorów biorą udział autotrofy jak i heterotrofy. Dużą rolę odgrywają tu fotoautotrofy, wykorzystujące energię słoneczną do budowy biomasy. Heteroautotrofy tlenowe mogą asymilować węglowodany dzięki posiadaniu oksygenazy - enzymu włączającego tlen atmosferyczny do cząsteczki węglowodoru. W warunkach beztlenowych w procesie degradacji węglowodorów bierze udział kilka grup mikroorganizmów, które posiadają alternatywne akceptory elektronów, dzięki którym może nastąpić utlenienie cząsteczki węglowodoru i są to mikroorganizmy posiadające respiracyjną reduktazę azotanową i azotynową (niekonieczna) reduktazę siarczanową, umiejętność wykorzystania energii wytworzonej podczas redukcji jonów metali, głównie żelaza (III) do żelaza(II). Węglowodory ( należą do substancji silnie zredukowanych, inetrnych chemicznie i do ich utlenienia wymagana jest obecność enzymów określanych terminem oksygenazy ( mono lub Oli oksygenazy) włączając jeden lub dwa atomy tlenu. Generalnie jednak najważniejsze jest to, że dla utlenienia tych zw. potrzebne są dwu do czterokrotnie większych ilości tlenu niż dla utlenienia typowych substratów takich jak glukoz. W wyniku działania monooksygenazy powstają terminalne alkohole [zaczyna oksydaza, dehydrogenaza alkoholowa]. Alkany degradowane są w ramach szlaku

monoterminalnego - węglowodor, alkohol, aldehyd, kwas, β-oksydacja (szlaki centralne).

Diterminalna - alkohol, diol, kwas dikarboksylowy, β-oksydacja (szlaki centralne).

Subterminalna - w ramach której utleniona zostaje grupa hydroksylowa - powstaje, zostaje dołączona do węgla 2 od końca i ten alkohol zostaje utleniony do ketonu.

Po redukcji kolejnego utlenienia prowadzącego przez dehydrogenazy, następuje odłączenie 2-węglowych fragmentów kwasu octowego, a powstały alkohol ulega β-oksydacji.

Istnieje jeszcze jedna droga degradacji alkanów przez alkeny i szlak ten uaktywnia się w warunkach ograniczonego natlenienia. Podsumowując rozkład alkanów inicjowany jest przez monooksygenazy, dalsze utlenienie tych zw. przebiega z udziałem dehydrogenaz. Bakterie posiadają zwykle oksygenazy związane z membraną cytoplazmatyczną i reakcja utlenienia może zachodzić przy bezpośrednim kontakcie węglowodorów z komórką. Grzyby pleśniowo-strzępkowe mogą produkować oksygenazy pozakomórkowe i pierwszy etap degradacji tych substancji może mieć miejsce poza komórką. Drogi biodegradacji węglowodorów aromatycznych Areny stanowią liczna grupę związków zawierających od jednego do kilku do kilkunastu pierścieni aromatycznych i specyficzne struktury wiązań w pierścieniu aromatycznym powoduje, że są to związki niezwykle trwałe i trudno podlegają degradacji.

W przyrodzie występują mikroorganizmy zdolne do biodegradacji zw. aromatycznych. Jest to związane z faktem, że zw. aromatyczne ( nie węglowodory) stanowią komponent tkanek roślinnych ( związki celulozy). Główne drogi utlenienia pierścienia aromatycznego polega na przekształceniu cząsteczki węglowodoru do katecholu. Do związków aromatycznych występujących jako typowe zanieczyszczenie do najbardziej toksycznych bifenyl, naftalen, fenol. Związki te są trudno degradowane. Do najtrudniej degradowanych należą: antracen, naftalen. Stosunkowo najłatwiej degradowane są :kwas benzoesowy, alkilobenzen, gdzie grupa alkilowa zawiera 1-3 atomów węgla.Wymienione związki atakowane są przez dioksegenazę w wyniku utlenienia powstaje katehol, czyli zw. zawierające pierścień aromatyczny z dwoma cząsteczkami OH. Pośrednik ten ulega łatwiej dalszej degradacji niż inne pokrewne związki. Drugą alternatywną drogą, związki zawierające większą lość podstawników ( przynajmniej dwa) utleniane są również z udziałem odpowiednich dioksygenaz, ale w wyniku ich działania nie powstaje katechol a kwas protokatechany (bardzo reaktywny) Rozkład substancji aromatycznych może ulec przyspieszeniu dzięki obecności w glebie enzymów wydzielonych poza komórkę przez grzyby strzępkowe (grzyby białej i brunatnej zgnilizny), które penetrują grunt rozkładają nie tylko zw. ligninocelulozowe ale i substancje zanieczyszczające takie jak alkilofenole, kwas szikimony, kwas hydroksybenzoesowy.

Rozkład ten może następować zarówno w komórkach tych grzybów jak i poza komórką.

Głównym pośrednikiem powstającym w ramach tych przemian jest kwas protokatechowy, zawierający obok typowych dla katecholu dwóch grup hydroksylowych, również grupę karboksylową. Związek ten ma podobną do katecholu reaktywność i biodegradowalność.

Związki aromatyczne atakowane są przez dioksygenazy, czasem przez monooksygenazy np. toluen. W wyniku reakcji utlenienia tworzony jest katechol lub kwas protokatwechowy. Pośredniki te rozkładane są przez kolejne dioksygenazy ( katecholowa, protokatechanową). W wyniku działania tych enzymów następuje rozerwanie pierścienia aromatycznego typu orto lub meta. Orto - miedzy grupami hydroksylowymi. Meta - w najbliższym sąsiedztwie wegla z grupą hydroksylową. Enzymami działającymi w następnej kolejności są dehydrogenazy, hydrolazy, amylazy itp. Czynniki warunkujące właściwy przebieg procesu biodegradacji

1.) Rodzaj zanieczyszczenia. Przed przystąpieniem do pracy nad oczyszczaniem zidentyfikować należy możliwie najdokładniej rodzaj zanieczyszczenia obciążenie zanieczyszczeniami, możliwość migracji zanieczyszczeń, charakterystykę zanieczyszczenia, skład ilościowy, jakościowy, lotność, gęstość. Do najtrudniejszych z technologicznego punktu widzenia zanieczyszczenia w formie mieszaniny różnorodnych związków i z taką sytuacja mamy do czynienia w przypadku zanieczyszczeń węglowodorami z grupy paliw. Mieszaniny te zawierają związki: alifatyczne, aromatyczne stąd konieczność dla stworzenia dla rozwoju w oczyszczanym środowisku mikroorganizmów rozkładających róznego typu substancje ropopochodne. 2.) Rozwój odpowiedniej mikroflory. Większość procesów bioremediacji gruntu, zanieczyszczeń węglowodorami prowadzona jest głównie z udziałem bakterii. Wykazują one zdolność do rozwoju przy pH około 5-7,5 czyli w warunkach typowych dla środowiska przyrodniczego. Bakterie prowadzą proces biodegradacji „do końca” czyli do dwutlenku węgła i wody. Grzyby natomiast wymagają nieco niższych wartości pH „wyspecjalizowane” są raczej w reakcjach biotransformacji, czyli przekształceniu zw. toksycznych w substancje mniej szkodliwe, substancje bliższe metabolizmowi mikroorganizmów. Tak więc grzyby i produkowane przez nie enzymy, traktowane są raczej jako „pomocnik” jako faza wstępna procesu biodegradacji. Są jednak zw. i rodzaje skażeń likwidowane głównie z udziałem grzybów. 3.) Główne czynniki ograniczające proces degradacji * brak tlenu Biodegradacja węglowodorów zachodzi najintensywniej przy dobrym dostępnie tlenu, jednakże wybrane substancje aromatyczne …………..degradacji również w warunkach beztlenowych.(znane sa technologie oczyszczania w których stosuje się przemiennie warunki tlenowe i beztlenowe) * temperatura Z dotychczasowych badań wynika że najwięcej mikroorganizmów wykorzystujących zdolność do degradacji węglowodorów to mikroorganizmy mezofile w temperaturze 35-38°C węglowodany stają się dla mikroorganizmów silnie toksyczne. Z badań prowadzonych na Syberii i Alasce, wynika że mikroorganizmy psychrofilne mogą efektywnie degradować węglowodory. Starając się zapewnić odpowiednie pH stosuje się zwykle wapnowanie, jednakże staramy się by ingerencja w zakresie regulacji pH była możliwie jak najbardziej ograniczona, ponieważ naszym celem jest przywrócenie stanu środowiska do stanu wyjściowego (przed zanieczyszczeniem) by mikroflora tam bytujaca mogła się, po usunięciu zanieczyszczeń odrodzić. Obecność wody (aktywność wodna) Problem deficytu wody dotyczy oczyszczania gruntów i jest najbardziej dotkliwy w przypadku oczyszczania gruntów piaszczystych. Grunty z dużą zawartością gliny i humusu wykazują o wiele wyższą zdolność zatrzymywania wody. W gruncie bakterie rozwijają się najefektywniej przy wilgotności 30-80%,grzyby wymagają mniejszej wilgotności 15-60%. Tak więc utrzymywanie wilgotności gruntu na poziomie kilkunastu, 20,czy 30% może spowodować zróżnicowanie mikroflory gruntu na skutek ograniczenia możliwości rozwoju wielu mikroorganizmów, głównie bakterii. Zbyt niska wilgotność w dłuższym czasie powoduje relatywny wzrost ilości grzybów, przy czym wzrost obu mikroorg. w tych warunkach ulega stopniowemu obniżeniu. Przy zbyt dużej wilgotności rośnie udział bakterii, zakłócony może być jednak proces zasiedlania mikroorganizmów. Cząstek gleby i zawartych w niej szczątków roślin. W przypadku zbyt intensywnego zraszania gruntu dojść może do wypłukiwania mikroorg. i niszczenia siedlisk ich rozwoju. Zalanie gruntu zbyt dużą ilością wody może ograniczyć ponadto penetrację tlenu do wnętrza gruntu. Tak więc z punktu widzenia efektywności biodegradacji ważne jest by zarówno tlen jak i woda dostarczane były w odpowiednich ilościach.

Przygotowywanie konsorcjum i aplikowanie bakterii do likwidacji zanieczyszczeń stanowiących mieszaninę różnego typu węglowodorów np. olejem napędowym (ok. 60% węglowodory alifatyczne, 10% aromatyczne, kilkanaście %cykliczne ).

Najbardziej właściwa strategię wprowadzania kultur starterowych bakterii w takim przypadku jest : Jako pierwsze wprowadza się kultury wyspecjalizowane w degradacji związków najłatwiej degradowanych i występujących w największym stężeniu czyli parafin. Następnie wprowadza się kultury wyspecjalizowane w rozkładzie zw. aromatycznych i cyklicznych. Niezachowanie tej kolejności spowodować może niewykorzystanie potencjału metabolicznego tej drugiej grypy bakterii ponieważ w obecności dużej liczby parafin rozkładałyby one zw. aromatyczne i cykliczne z niewielką wydajnością.

W procesie bioremediacji należy stwarzać warunki dla rozwoju mikroorg. wyspecjalizowanych w kierunku asymilacji określonych związków toksycznych. Niewskazane jest by w czasie procesu oczyszczania doszło do nadmiernego rozwoju dużych ilości mikroorg. glebowych tolerujących obecność węglowodorów. Tak więc w procesie bioremediacji powinny być aplikowane kultury mikroorg. wykazujących zdolność do degradacji zanieczyszczenia i tylko te mikroorg. powinny się namnażać z największą szybkością w tym środowisku. Warunki biodegradacji powinny być tak opracowane, by w miarę możliwości w jak największym stopniu ograniczyć rozwój mikroflory nie biorącej udziału w degradacji zanieczyszczenia. W przypadku nadmiernego rozwoju wielu grup mikroorg. może dojść do sytuacji, że namnażające się mikroorg. wykorzystują do wzrostu biomasę mikroorganizmów poprzednich generacji, a zanieczyszczenia przestają być asymilowane. Pamiętać należy również, że żaden z pojedynczych mikroorg, nie jest zdolny do rozkładu węglowodorów wszystkich grup. Dlatego też na użytek biodegradacji mieszanin węglowodorów przygotowuje się mieszaniny kultur bakterii wyspecjalizowanych na poszczególne grupy węglowodorów i mieszaniny te określa się terminem konsorcja bakteryjne (mikrobiologiczne ). Ważne jest również by kultury mieszane lub monokultury dodawane były w odpowiedniej kolejności (patrz wyżej )Rozwiązania technologiczne stosowane w procesach remediacji:1.Landfarming. 2.Kompostowanie. 3.Fitoremediacja i ryzoremediacja. 4. Bioremediacja w reaktorach (bioreaktory szlamu ). 5. B iostymulacja (rozwój porządanej grupy mikroorganizmów ).6. Mikrobiologiczna adaptacja. 7. Bioremediacja z dodatkiem środków powierzchniowo-czynnych syntetycznych i naturalnych. 8. Zastosowanie tzw. procesu wstępnego utleniania ( H₂O₂, ozon, reakcja Dentona ). Ad. Landfarming Cechą wyróżniającą tę metodę jest stymulowanie aktywności natywnej mikroflory gruntu, której liczebność wzrasta na skutek obecności zanieczyszczenia ale nie jest w stanie ujawnić swej aktywności degradacyjnej w warunkach ograniczonego natlenienia, zbyt małego kontaktu między mikroorganizmami a zanieczyszczeniem lub przy braku pożywek.Ad. Kompostowanie Termin kompostowanie może być rozumiany dwojako:

Może być rozumiany jako ten znany z agrotechniki, polegający na wymieszaniu odpowiedniej ilości odpadów zielonych, czy podłoża z hodowli grzybów kapeluszowych ze skażonym gruntem i przeprowadzeniu typowego 4 fazowego kompostowania [faza mezofilna, termofilna, wychładzania i dojrzewania].Mieszanina ta musi mieć luźną strukturę, warunki tlenowe i to powoduje szybkie namnożenie mikroorganizmów, w tym odpowiedzialnych za biodegradację. Proces taki nie zawsze daje pozytywne efekty, ze wzgl. Na konkurencję między zanieczyszczeniem a dużą ilością substancji organicznej w kompoście;

Oczyszczanie z dodatkiem dojrzałego kompostu Dojrzały kompost zawiera niewielką ilość substancji org. Obecne w nim enzymy pozakomórkowe biorące udział w rozkładzie celulozy i lignin mogą intensyfikować proces biodegradacji. Ważne jest użycie odpowiedniego kompostu i w świetle danych literaturowych dobre efekty daje dojrzały kompost z liści lucerny, słomy jęczmiennej, mchu torfowego, trocin z drzew liściastych. A złe efekty daje kompost ze ściółki drzew iglastych.Ad.3 Są to technologie detoksykacji i oczyszczania gruntów, wód gruntowych i powierzchniowych, wykorzystujące aktywność fizjologiczną niektórych gatunków roślin bądź związ. z nimi ryzosfery do akumulacji degradacji zw. Toksycznych. W procesach ryzoremediacji wykorzystuje się potencjał mikroorg. Rozwijających się intensywnie w strefie korzeniowej roślin. Rola roślin w usuwaniu zanieczyszczeń może być wieloraka, przede wszystkim liczy się, że rośliny akumulować będą jony met. Ciężkich [a zanieczyszczenia te towarzyszą często zanieczyszczeniom zw. ropopochodnymi] i w ten sposób stworzone zostaną warunki bardziej korzystne dla rozwoju mikroorg. Do tkanki roślinnej wchłaniane są również org. substancje zanieczyszczające i z udziałem roślin zachodzą takie procesy jak: fitoekstrakcja, fitostabilizacja, fitodegradacja, fitoodparowanie. Ad. 4 Bioreaktory w proc. remediacji stosowane są w przypadku likwidacji skażeń o wysokiej toksyczności, w przypadku gdy istnieje duże prawdopodobieństwo rozprzestrzenienia się tego zanieczyszczenia i gdy mamy do czynienia ze skażeniem niezbyt dużej ilości gruntu. Jest to proces ex situ, nie wymaga tak dużych powierzchni jak landfarming i umożliwia prowadzenie procesu w warunkach bliskich optymalnym.

Bioremediacja w bioreaktorach jest procesem drogim i stos. się tu najczęściej 2 typy bioreaktorów: kolumnowy i tzw. bioreaktor szlamu, wyposażony w mieszadła ślimakowe. Bioreaktor kolumnowy wypełnia się skażonym gruntem odpowiednio spulchnionym i nawilżonym, wzbogaconym w pożywki i powietrze z określoną szybkością jest przepuszczane przez złoże. Szczególnym rozwiązaniem bioreaktorów szlamu są tzw. bębny obrotowe. Użycie bioreaktorów stwarza pewną możliwość prowadzenia proc. oczyszczania z udziałem mikroorg. genetycznie modyfikowanych. Możliwość taka istnieje przy wdrożeniu odpowiednich zabezpieczeń umożliwiających pracę `w układzie zamkniętym' i dające pewność, że użyty mikroorg. nie przedostanie się do środowiska przyrodniczego. W tym przypadku konieczna jest sterylizacja oczyszczanego gruntu po zakończeniu procesu oczyszczania. Ad. 5 Technologie z wykorzystaniem bioagumentacji i biostymulacji.

1.Najważniejszym narzędziem w likwidacji zanieczyszczeń zw. organicznymi są mikroorg. autochtoniczne, rodzima mikroflora. Zadaniem technologa jest stworzenie warunków w miarę możliwości najbardziej odpowiednich dla rozwoju mikroflory o właściwościach degradacyjnych [dodatek pożywek, natlenienie, regulacja wilgotności i pH tj. biostymulacja]. 2.Wykorzystanie zjawiska mikrobiologicznej adaptacji. Zjawisko to polega na wykształceniu w zanieczyszczonym środowisku mikroorg. posiadających enzymy, które uczestniczyć będą w proc. degradacji. Proces polega na indukcji odpowiednich grup mikroorg. i produkowanych przez nie enzymów. Dlatego też przed rozpoczęciem proc. oczyszczania w warunkach in situ pobiera się próby zanieczyszczonego gruntu i w laboratorium w warunkach bliskich optymalnym prowadzi zabiegi aktywujące mikroflorę degradacyjną. Zabiegi te polegają na wprowadzeniu odpowiednich pożywek, kosubstratów i subst. zanieczyszczających w większym stężeniu. Mikroflorę, która namnoży się w tych warunkach można użyć jako kulturę starterową do likwidacji zanieczyszczeń w większej skali.

3. W laboratoriach izoluje się i selekcjonuje kultury mikroorg. wykazujące zdolność do degradacji określonych zanieczyszczeń i w miarę potrzeby mikroorg. te SA stosowane jako kultury starterowe w proc. oczyszczania. Zwykle są to kultury 3,4−szczepowe ponieważ żaden z mikroorg nie jest zdolny do rozkładu wszystkich składników ropy naftowej. W przypadku zanieczyszczenia określonymi subst. [nie złożoną mieszaniną] stosuje się również kultury starterowe złożone z kilku szczepów ponieważ zazwyczaj nie wiadomo, która z nich będzie najgodniej współbytować z rodzimą mikroflorą. Kultury starterowe określa się terminem biopreparaty lub konsorcja mikrobiologiczna. 4. Technologie z wykorzystaniem subst. powierzchniowo─czynnych. Jednym z największych problemów proc. bioremediacji jest ograniczona dostępność zanieczyszczenia do mikroorg. Problem dotyczy zarówno środowiska gruntowego jak i wodnego. Dlatego też do oczyszczanego środowiska dodaje się subst. powierzchniowo─czynne, które powodują emulgację i zwiększenie rozpuszczalności zw. hydrofobowych w fazie wodnej. W obecności tych subst. zwiększa się desorpcja zanieczyszczeń z matrycy gruntu. Związki te [są to typowe detergenty]stanowią jednak same jako takie zanieczyszczenia i podlegają trudno degradacji. Stąd też dyskusyjność ich stosowania. Poważnym mankamentem tych technologi jest to, że środek pow.─czynny musi być dodany w ściśle określonym stęż. a jego przedawkowanie może całkowicie ograniczyć proces bioremediacji. Mikroorg. degradujące węglowodory posiadają zdolność do syntezy własnych substancji pow.─czynnych tzw. biosurfaktantów. Subst. te tworzone są tylko w takiej ilości w jakiej wymaga tego bioremediacja. Tak więc przy selekcjonowaniu szczepów dla proc. bioremediacji należy również brać pod uwagę ich zdolność do tworzenia subst. pow.─czynnych. Ad.6 Procesy bioremediacji poprzedzone zabiegiem tzw. wstępnego utleniania. Większość subst. ropopochodnych to związki bardzo stabilne chemicznie i pierwszy stopień ich biologicznego utlenienia przebiega stosunkowo trudno. Dlatego też przed rozpoczęciem bioremediacji traktuje się skażone miejsce subst. utleniającymi np. nadtlenkie wodoru lub ozonem. W obecności jonów żelaza i H₂O₂ zachodzi reakcja Fentona, w ramach której powstają wolne rodniki aktywujące cząsteczki węglowodoru. Zabieg wstępnego utleniania musi być jednak tak wykonany by w miarę możliwości uchronić w możliwie największym stopniu mikroflorę zanieczyszczonego środowiska. Tak więc utleniacze muszą być dodane w ilościach tolerowanych przez mikroorg. i z szybkością na tyle niską by ograniczyć reakcje uboczne prowadzące nawet do niszczenia struktury gruntu. Proces wstępnego utleniania należy do efektywnych i jest stosunkowo często prowadzony.

Usuwanie zanieczyszczeń metalami Metody fizyczne i chemiczne. Metody te opierają się na 2 strategiach: Immobilizacja metali [osadzanie]. Usuwanie metali w formie jonów czyli ich wymywanie Rozpuszczalność metali w gruntach generalnie maleje ze wzrostem pH

pH może być czynnikiem wykorzystywanym do immobilizacji, które w formie nierozpuszczalnej są mniej toksyczne i nie dochodzi do rozprzestrzenienia się na tereny nie skażone. Usuwanie metali następuje przy niższych wartościach pH, tak więc wymywanie ich z gruntu to proces przemywania gleby kwaśnymi roztworami. Wymywane metale poddaje się następnie kompleksacji… a płyn można zawracać do przemywania następnych partii gruntu. Alternatywą dla wymywania metali kwaśnymi roztworami jest przepłukiwanie gruntu czynnikami helatującymi takimi jak EDTA. Metoda ta zdaje egzamin przy usuwaniu takich jonów jak: ołów i kadm. W środowiskach wodnych prowadzi się proces tzw. osadzania metali a następnie zassania osadów i przeniesienie je w miejsca , gdzie nie będą stanowiły zagrożenia. Metody biologiczne Toksyczność metali. Metale są zasadniczymi komponentami komórek mikroorg. np. sód potas regulują transport pożywek przez membrany, Fe, Mn, Cu ─wchodzą w skład enzymów odpowiedzialnych za transport elektronów, oddychanie i fotosyntezę. Obecność metali w zbyt dużych stężeniach i nie właściwych proporcjach może ograniczać wzrost i negatywnie wpływać na fizjologię komórek. Za najbardziej toksyczne dla org. żywych uważa się: kadm, ołów i rtęć. Mechanizmy toksyczności są bardzo różne i podstawowym mechanizmem jest wiązanie metali do ligandów zawierających reaktywne grupy sulfhydrylowe, karboksylowe lub fosforany. Ligandami tymi mogą być białka i kwasy nukleinowe. Jony takich metali jak rtęć i kadm wiążą się łatwo z grupami sulfhydrylowymi. Metale nieco lżejsze: Fe, Sn, Cu wiążą się z gr. karboksylowymi i fosforanami. Inne oddziaływanie metali polega na dekompozycji podstawowych metabolitów i zastąpienie ich strukturalnymi analogami, które nie będą wchodziły w szlaki typowych przemian katabolicznych. Typowym przykładem jest zastępowanie fosforanów arsenianami.

Biodostępność Ważnym zjawiskiem w proc. usuwania zanieczyszczeń metalami jest biodostępność. Wpływ na tę biodostępność mają: rodzaj metalu, pH, potencjał oksydoredukcyjny, siły jonowe. Przy wyższym pH gdzie metale występują głównie w formie nierozpuszczalnej w postaci fosforanów, węglanów ─ biodostępność jest niższa.

Przy niższym pH gdzie występują głównie w formie wodnych jonów lub jako rozpuszczalnik organometal. ─ biodostępność rośnie. W warunkach beztlenowych [ niski potencjał oksydoredukcyjny ] następuje wytrącenie szeregu metali i uczestniczą w tym w dużej mierze bakt. Beztlenowe Desulphowibro redukujące siarczany i wiążące metal w formie siarczków. Siarczki są zdecydowanie mniej toksyczne a przede wszystkim nierozpuszczalne.

W warunkach tlenowych [podwyższony potencjał oksydoredukcyjny] metale przyjmują formę wolnych jonów, wzrasta ich rozpuszczalność, pH może ulegać obniżeniu ponieważ siarka zostaje utleniona przez szczepy Thiobacillus do siarczanów. Znane są przypadki, że przy przejściu z warunków beztlenowych na tlenowe , pH może ulec obniżeniu nawet do 2.

Biodostępność jako taka determinowana jest przede wszystkim rozpuszczalnością metali i ich skłonnością do sorpcji na stałych powierzchniach, cząstkach org., skałach koloidach. Wszystkie te składniki bierze się pod uwagę przy ocenie stopnia biodostępności metali. Substancje org. odpowiedzialne są za kompleksację metali, za silną ich sorpcję odpowiadają humus i mikroorg., szczątki roślin. Substancje takie jak aminokwasy, cukry, kwasy org., tłuszcze i woski należą do subst. niehumusowych i też mogą wchodzić w reakcje z metalami. Jednakże główne znaczenie dla ograniczenia biodostępności metali mają subst. humusowe.

Generalnie biodostępność rośnie: 1. wraz z obniżeniem pH [wynika to z obecności kw. Fosforowego, węglowodoru]. 2. biodostępność jest szczególnie wysoka w wierzchniej warstwie gruntu, gdzie bytują org., większy dostęp O₂, wyższa wilgotność i niższe pH. 3.najbardziej niebezpieczna forma metalu to kation. Metale są łatwiej rozpuszczalne w formie bardziej utlenionej niż zredukowanej np. chrom [I I I]jest słabo rozpuszczalny i stanowi niskie zagrożenie dla ekosystemu, chrom w formie jonu sześcio wartościowego jest wysoce toksyczny. Strategie mikrobiologicznej remediacji gruntów zanieczyszczonych metalami

Technologie remediacji wywodzą się z tzw. technologii wzbogacania rud czy bioługowania metali. Tradycja włączenia procesów bio do ługowania metali sięga osiemnastego wieku, gdzie wykorzystano bakterie do ekstrakcji miedzi z rud. Pierwsze obserwacje na ten temat pochodzą z USA i Hiszpanii. W końcu 20 wieku więcej niż 30% amerykańskiej miedzi pozyskiwane jest w tzw. biohydrometalurgiach. Miedź wiąz jest przez szczepy Thiobacillus .

Tą samą drogą wiązane być może również żelazo. W procesach pozyskiwania metali i bioremediacji gruntów wykorzystywane są następujące interakcje między metalami i mikroorg.1.Procesy utleniania i redukcji. 2.Biosorpcja. 3.Immobilizacja przez biomasę komórek.4.Mobilizacja [metyzacja] Ad.1 Jak wspomniano wcześniej mikroorg. mogą zmieniać toksyczność metali przez ich redukcję lub prze ich utlenienie. Zredukowane metale mają niższą biodostępność. Utlenione metale są bardziej rozpuszczalne a więc łatwiejsze do usunięcia. Szczepy Pseudomonas mogą utlenić arsenin As[OH]₃ do mniej toksycznego arsenianu. Redukcja selenu 4 lub 6 wartościowego do elementarnego selenu prowadzi do zmniejszenia toksyczności tego zw. a proces ten prowadzony jest przez grzyby. Chrom 6 redukowany jest do chromu 3 z udziałem szczepów Pseudomonas. Istnieje kilka wyjątków gdy wraz z utlenieniem wzrasta toksyczność i biodostępność metalu. Sytuacja taka może mieć miejsce w przypadku :manganu, uranu i miedzi. Ad 2,3 Zjawiskowo obserwowane jest zarówno u bakterii, glonów grzybów i drożdży.Wiązanie metali może polegać na niespecyficznym wiązaniu na powierzchni ściany komórkowej. Wiązanie polega na wchłanianiu metali do wnętrza kom. Proces ten zależy od rodzaju metalu, rodzaju mikroorg. i pH.

Wiadomo już, że przy niskim pH kompleksowanie jest zredukowane z wyjątkiem chromianów i selenianów. Tej sorpcji ulega łatwo złoto, miedź, kadm i lamb… Proces kompleksacji jest jednak w dużym stopniu hamowany przez adsorpcję tych metali w cząstkach gleby i nie zawsze ta metoda jest efektywna. Ad. 4 Mobilizacja polega najczęściej na zwiększeniu lotności substancji w skład której wchodzi metal i często towarzyszy temu wzrost jej toksyczności. Mechanizm zwiekszenia mobilności polega przede wszystkim na metyzacji jonu danego metalu. Grupy metylowe lub alkilowe powodują, że powstały związek jest łatwiej przepuszczalny przez mikrobiologiczne membrany, np. rtęć przetworzona jest w metylo rtęć, co prowadzi do powstania jonu CH ₃ Hg+ lub [CH ₃] ₂ Hg+ i jony te są o wiele bardziej toksyczne od nieorganicznej rtęci. Połączenia te wykazują jednak zwiększoną lotność co powoduje ich ulotnienie ze środowiska glebowego. Poza rtęcią etylowaniu z udziałem mikroorg. ulegają łatwo: ołów, arsen, selen, tin.Wykorzystywanie środków powierzchniowo - czynnych w tym biosulfaktantów w usuwaniu metali. Okazuje się, że biosulfaktanty tworzą chętnie kompleksy lub chylaty z metalami, tak więc zw. te mogą być pomocne w procesach immobilizacji metali. Ad. 1 Landforming to metoda biologicznego oczyszczania gruntów w warunkach tlenowych. Głównymi jej zaletami są prostota, niskie koszty, duże doświadczenie firm prowadzących oczyszczanie ponieważ jest to metoda często stosowana i bardzo dobra do likwidacji zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi. Główne wady tej metody to długi czas trwania oczyszczania, trudność usunięcia zanieczyszczeń resztkowych i trudności technologiczne związane z zabezpieczeniem przed rozprzestrzenieniem się zanieczyszczeń, co ma miejsce w przypadku lekkich zaw. dużo piask. Typowy proces oczyszczania metodą land. polega na utworzeniu specyficznej niecki oddzielającej zanieczyszczony grunt od czystego gruntu. Na dnie niecki usytuowany jest kanał którym odprowadza się odciek z oczyszczanego gruntu. Odciek ten najczęściej jest zawracany i stosowany do zraszania zanieczyszczonej masy. Dół pryzmy wypełniony jest piaskiem pełniącym rolę specyficzną filtru i w tej warstwie umieszczone są perforowane rury, przez które wtłaczane jest powietrze , które przepływa przez warstwę zanieczyszczoną ziemi odpowiednio wzruszonej, pozbawionej grud. Wilgotność gruntu powinna być utrzymana na takim poziomie, by z jednej strony zabezpieczony był wzrost mikroorganizmów, z drugiej natomiast nie może dojść do zalania wodą gruntu i uniemożliwienie przepływu powietrza. Grubość warstwy wynosi zwykle koło 0,5 m rury doprowadzające powietrze wykonane są zwykle z PCV……. Wraz z wodą zraszającą doprowadzane są substancje odżywcze (C i N) i czasami regulowane jest pH. Azot doprowadzany jest najczęściej w formie soli amonowych, azotanów lub mocznika. Fosfor zwykle w formie fosforanu sodu lub potasu. Poziom stężenia tych pierwiastków jest monitorowany podczas procesu oczyszczania ponieważ ich zawartość determinuje rozwój mikroflory w oczyszczanym gruncie. Nie należy dopuścić do nadmiaru tych jonów. Metoda landforming znajduje zastosowanie przy oczyszczaniu gruntów w pobliżu miejsc składowania paliw. Metoda ta jest również skuteczna do usuwania związków aromatycznych i 5-chlorofenole. W przypadku gdy grunt leży na podłożu gliniastym grubość warstwy może przekroczyć nawet 1 m i w tym układzie dochodzi do stosunkowo łatwego (jednak długotrwałego) rozkładu gazolin i paliw do silników wysokoprężnych. Wielkość powierzchni, w których prowadzony jest lanforming dochodzić może do 6-8 ha i na tak dużych terenach technologia jest bardzo efektywna poprze odpowiednie gospodarowanie wodą, pożywkami i mikroflorą. Najodpowiedniejszą temp jest 20-27^oC . jak wynika z licznych badań w pierwszej kolejności usunięte zostają węglowodory alifatyczne o długości łańcucha C₆-C₉, w drugiej kolejności C₁₀-C_11, później następuje przerwa i biodegradacji zaczynają podlegać węglowodory alifatyczne będące składnikiem oleju Diesla a następnie oleju grzewczego. W między czasie degradacji ulegają węglowodory aromatyczne :benzen toluen etylobenzen i ksylen (związki te jednocześnie ulegają ulotnieniu) i ponieważ są stosowane łatwo rozpuszczalne w fazie wodnej recyrkulują wraz z odciekiem. W metodzie tej największy problem stanowi pozostałość substancji zanieczyszczonej. W gruncie mikroorganizmy zaadoptowały się do tych związków i mogą spokojnie bytować mimo obecności tych substancji, a jednakże jak wynika z badań te związki resztkowe nie powinny pozostać w gruncie mogą bowiem na skutek przedostawania się do kolejnych ogniw łańcucha pokarmowego spowodować dalekosiężne negatywne skutki ze względu na kancerogenny czy mutagenny ich charakter. Rodzima mikroflora w środowisku zawierająca w długim czasie te substancje nie może się w pełni odbudować, wrócić do „kompozycji” z czasu przed zanieczyszczeniem. Trudności z likwidacją zanieczyszczeń resztkowych wynika głównie z faktu silnej sorpcji zanieczyszczeń do matrycy gruntu. Warunki podczas prowadzenia oczyszczania metodą landf nie sprzyjają desorpcji tych związków. Ad. 2 kompostowanie jako metoda likwidacji zanieczyszczeń jest rozwiązaniem stosunkowo nowym, stosowana dopiero od 8-10 lat. Metoda ta polega na dodawaniu dojrzałego kompostu do zanieczyszczonego gruntu. Dojrzały kompost zawiera niewiele substancji organicznych, cenne sole mineralne, enzymy(te rozkładające ligniny i celulozę) i mikroorganizmy które brały udział w rozkładzie materii organicznej. Taki dodatek może spowodować intensyfikację rozkładu substancji monoaromatycznych benzenu, toluenu, chlorofenoli, pestycydów( kwas 2,4-chlorofenoksyacetony) (diazinon) węglowodory paliaromat. :antracen, fenantren, benzoantracen i benzopiren. Rozkład tych związków nast.dzięki enzymom obecnym w dojrzałym kompoście. Kompostowanie jako metoda oczyszczania jest procesem tlenowym. Charakterystyczne dla tego procesu , w którym do głosu dochodzą mikroorganizmy rozkładające materiał org.jest wydzielane ciepło, które jest zatrzymywane wewnątrz masy kompostu i regulacja temp.w czasie tego procesu jest jednym z najważniejszych zadań technologa. Podczas typowego procesu kompostowania mamy 4 etapy: mezofilny, termofilny, chłodny i tzw.etap dojrzewania. Gdy kompost zostanie dodany do masy gruntu z zanieczyszczeniami stworzone zostają warunki do stworzenia tego cyklu temperaturowego. Dla właściwego rozwoju mikroflory w oczyszczanym środowisku nie można dopuścić do zbyt wysokiej temperatury w fazie termofilnej. W tym celu proces kompostowania prowadzi się np.: w bębnach obrotowych, w otwartych koszach, w przewietrzanych silosach i pryzmach. Proces kompostowania sprawdza się szczeg.wtedy gdy mamy do czynienia z zanieczyszczeniami występującymi formie mieszaniny. Poszczególne składniki kompostu przyspieszają degradację poszczególnych grup związków w celu zapewnienia warunków tlenowych do oczyszczania gruntu dodaje się fragmenty kory, słomę…….wysłodki buraczane. Temperatura jednak nie powinna przekroczyć w najbardziej intensywnej fazie 45^oC. w tej technologii pewne trudności stwarza monitorowanie procesu ponieważ efekty działania mikroorganizmów, enzymów i zjawisk zachodzących w zanieczyszczających się warunkach temp. i pH efekty nakładają się i trudno w tej sytuacji wnioskować jednoznacznie o właściwym przebiegu procesu oczyszczania(w podwyższonej temp. wzrasta lotność zanieczyszczeń węglowodorowych)-nie wiadomo czy zostały zdegradowane.

Pod wpływem zmieniającej się temp. zmienia się tez biodostępność zanieczyszczeń. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że w przypadku kompostowania problem likwidacji zanieczyszczeń resztkowych nie jest tak dotkliwy i prawdopodobnie zawdzięczamy to enzymom zawartych w kompoście. Metoda kompostowania jest doskonalona, na jej temat prowadzi się intensywne badania i na dzień dzisiejszy wiadomo, że dodatek kompostu do zanieczyszczonego środowiska, może być korzystny, jednakże jego dawka powinna być precyzyjnie dobrana(co ustala się warunkach lot. lub w skali pilotowej) a kompost musi być o odpowiedniej dojrzałości i pochodzić z odpowiedniego materiału org.

Proces kompostowania jest użyteczny nie tylko do likwidacji zanieczyszczeń węglowodorowych ale i do likwidacji zanieczyszczeń materiałami wybuchowymi np. trotylen do likwidacji chlorofenoli, węglowodorów aromatycznych i poliaromatycznych i do rozkładu lotnych mieszanin org. np.: trichloroetylen. Dodanie zbyt „młodego” kompostu spowodować może, że do oczyszcz. ……. trafi zbyt dużo łatwo przysfajalnych substancji org. i spowodują rozwój mikroflory, która będzie się charakteryzować zwiększoną tolerancją na obecność zanieczyszczeń a degradacja tych zanieczyszczeń będzie praktycznie zahamowana.

---